基于連通保持的多智能體分布式協(xié)作控制.pdf

1、近年來，多智能體分布式協(xié)作控制的研究吸引了越來越多的注意。多智能體系統(tǒng)包含了大量具有一定通信、感知、計(jì)算、自主決策及運(yùn)動(dòng)能力的個(gè)體，如機(jī)器人、傳感器和其它可移動(dòng)設(shè)備，其中，每個(gè)智能體僅利用自身及其鄰居的有限信息獨(dú)立控制自身運(yùn)動(dòng)。如果所有智能體之間的局部交互形成了某種連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則通過設(shè)計(jì)智能體之間的協(xié)作機(jī)制，整個(gè)群體可獲得期望的全局目標(biāo)。
　　 然而，智能體之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往隨著個(gè)體的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，在許多局部算法作用下，其

2、演化連通性很難白然保持，因此，應(yīng)致力于具有演化拓?fù)溥B通保持功能的協(xié)作控制研究。本論文由此出發(fā)，針對(duì)一些典型的多智能體協(xié)作控制問題，重點(diǎn)研究了基于連通保持的分布式控制算法的設(shè)計(jì)和性能分析。論文的主要內(nèi)容和研究成果總結(jié)如下：
　　 給出了核拓?fù)涞亩x，并據(jù)此提出了保持核拓?fù)渌羞B邊的連通保持基本框架。在這個(gè)基本框架下，以聚集問題為例，描述了目標(biāo)拓?fù)湮ㄒ粫r(shí)的連通群體核拓?fù)?。?duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)不能被描述為唯一拓?fù)涞那闆r，以連通格子目標(biāo)結(jié)構(gòu)為例

3、進(jìn)行分析（相應(yīng)于蜂擁控制、一致感知環(huán)境下連通保持問題等），討論了其相應(yīng)的核拓?fù)洌⒔o出了從任意連通圖中提取核拓?fù)涞姆植际剿惴ā?br>　　 描述了多智能體分布式協(xié)作編隊(duì)控制中的核拓?fù)?，給出了基于該編隊(duì)核拓?fù)涞姆植际骄庩?duì)基本算法。通過擴(kuò)展編隊(duì)基本算法，進(jìn)一步提出了一類一般編隊(duì)控制算法。另外，對(duì)所提出的算法，分析了不同的智能體信息拓?fù)鋵?duì)群體收斂速度以及相應(yīng)于節(jié)點(diǎn)和連邊失效的連通魯棒性的影響。
　　 考慮到增大覆蓋面積與保持群體連通

4、性之間的矛盾，討論了一致感知環(huán)境下的連通覆蓋問題，由于該問題的目標(biāo)拓?fù)淇擅枋鰹檫B通格子結(jié)構(gòu)，其核拓?fù)淇赏ㄟ^采用第二章提出的分布式算法來簡(jiǎn)化群體拓?fù)浍@得?？紤]智能體離散時(shí)間運(yùn)動(dòng)模型，針對(duì)每個(gè)智能體提出分布式連通覆蓋算法，該算法通過保持在每個(gè)迭代周期中更新的群體核拓?fù)浯_保其網(wǎng)絡(luò)連通性。理論分析顯示，在該分布式算法作用下，被控群體逐漸分散，并最終獲得了某種連通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的分布式覆蓋目標(biāo)。
　　 解決了連續(xù)多智能體系統(tǒng)的一致感知環(huán)境連通

5、覆蓋問題。首先，利用第二章提出的分布式核拓?fù)浜?jiǎn)化算法，獲得群體在初始時(shí)刻的核拓?fù)?。在此基礎(chǔ)上，提出了分布式協(xié)作控制算法，該算法可引導(dǎo)所有智能體形成一個(gè)格子結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)始終保持群體初始時(shí)刻核拓?fù)?，分布式連通覆蓋目標(biāo)因此得以實(shí)現(xiàn)。
　　 許多實(shí)際環(huán)境中不同位置處發(fā)生事件的概率或密度不相同，而位于其中的智能體往往僅具有有限的感知能力，且其感知性能依賴于智能體與事件發(fā)生位置之間的距離。為了引導(dǎo)智能體對(duì)這類任務(wù)空間的覆蓋和采樣，同時(shí)確保

6、數(shù)據(jù)的收集和進(jìn)一步處理，本論文考慮了復(fù)雜感知環(huán)境下的連通覆蓋問題。通過分析將覆蓋與連通保持兩個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為綜合效用函數(shù)，并通過梯度下降的思想對(duì)該函數(shù)進(jìn)行最小化尋優(yōu)，執(zhí)行的算法滿足每個(gè)智能體僅能利用局部信息的約束。
　　 從一致性問題展開，討論通過將單層的系統(tǒng)拓?fù)溥f階分解的方法來提高群體的收斂速度。首先根據(jù)一致性問題的收斂性能，將遞階分解問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)關(guān)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征值的優(yōu)化問題。通過分析該優(yōu)化問題，提出了一個(gè)將連通圖優(yōu)化分解為若干